في بداية عام 2009 ، بدأ الأشخاص في صناعة معالجة المواد بالبحث عن أشعة الليزر النبضية التي يمكنها توفير طاقة ذروة عالية ، وأشعة الليزر المستمرة ذات مستويات الطاقة الأعلى. يمكن أن تصل قوة الذروة لمثل هذه الليزر بشكل عام إلى 3 كيلوواط ويبلغ متوسط الطاقة 300 واط. وقد أدت القفازات في التكنولوجيا إلى ارتفاع أعلى وقوة متوسطة. اليوم ، تم تقديم طاقة قصوى تصل إلى 20 كيلو واط ، ومتوسط قوى تبلغ 2 كيلو وات ، وأشعة الليزر المستمرة فائقة الطاقة. التحديث المستمر للسلطة دفع بالليزر الليفي إلى مرحلة معالجة أجهزة الفضاء.
مقارنةً بالليزر Nd: YAG التقليدي ، فإن الليزر الليفي قد حسّن بشكل كبير من كفاءة التحويل الكهروضوئي وسطوع الحزمة (التشغيل أحادي الوضع أو التشغيل المنخفض) ، ولا يتطلب التسخين المسبق. عندما يتم تغيير الطاقة ، سواء كان الوضع أعلى مسطح (كما هو موضح في الشكل) (1)) ، أو وضع غاوسي ، يبقى قطر البقعة دائمًا مستقرًا ، وفي نفس الوقت ، يكون تردد النبض أعلى ، ويكون في الوقت الحقيقي تعديل المعلمات أقوى. نظرًا لأن الليزر الليفي يستخدم باعثًا منفردًا للإثارة ، فإن لديه قفزة نوعية من حيث الموثوقية واستقرار الطاقة والمرونة مقارنةً بأشعة الليزر المضخة.
نظرًا لطرق التطبيق المرنة والمتنوعة لأشعة الليزر ، فلا يمكن تركيبها كآلات جديدة فحسب ، بل يمكن أيضًا ترقية خطوط الإنتاج الحالية ، بحيث تشغل المزيد من حصص السوق. يمكن تحويل جميع أنظمة الإنتاج السابقة التي تستخدم ليزر Nd: YAG إلى ليزر ليفي.
احتياجات الحفر في مجال الطيران
صناعة الطيران هي بلا شك صناعة أخرى استفادت كثيراً من الليزر الليفي. في صناعة الطيران الحالية ، قد يكون لمحرك التوربينات ما يصل إلى ملايين الثقوب ، والتي تستخدم بشكل رئيسي لمساعدة الجهاز في تبديد الحرارة في الوقت المناسب أثناء التشغيل. يختلف سمك الثقوب وزاويةها وقطرها وشكلها. في مجال تطبيقات الحفر الفضائية ، يعد الليزر الليفي الجديد خيارًا أسرع وأكثر مرونة وأكثر استقرارًا وفعالية من حيث التكلفة.
هناك طريقتان رئيسيتان لإنتاج ثقوب التبريد لأجهزة الطيران: الأولى هي استخدام نبضات متعددة لتشكيل ثقوب الحفر وفقًا للفتحة المطلوبة (حفر النبض) ؛ والآخر هو استخدام نقاط صغيرة لتحريك الشعاع في نطاق دائري لتشكيل فتحة حفر (Socket). بشكل عام ، يكون المقبس أبطأ ، ولكن الشكل أكثر كمالا. في بعض التطبيقات ، يمكن تحديد ثقوب الأكمام فقط. هذه الثقوب عادة ما يكون قطرها 0.015-0.030in. يوجد أيضًا شرط حفر خاص في مجال الطيران ، وهو ثقب على شكل مروحة يربط الثقب المحدد بالتيار. هذه الثقوب على شكل مروحة هي مخرج هواء التبريد ، والغرض منه هو تحويل نفس تدفق الهواء إلى مساحة أكبر لتحقيق تأثير تبريد أفضل. في الوقت الحاضر ، هناك العمليات التالية بشكل رئيسي لإنتاج ثقوب على شكل مروحة: الأولى هي ماسح ضوئي صغير ليزر Q-switched +. يتم استخدام الماسح الضوئي لمسح الشكل عند خروج الفتحة. يتطلب استخدام هذه الطريقة لمعالجة الفتحة على شكل مروحة أن يعمل الجهازان بشكل منفصل. تتمثل الطريقة الثانية في تقليل حجم البقعة لإنشاء تفتق ، ثم استخدام تداخل CNC ، لكن هذه الطريقة أبطأ بكثير من "الطريقة ذات الخطوتين" المجهزة بماسحة ضوئية ؛ الطريقة الثالثة هي استخدام تقنية الحفر EDM ، وإضافة ثقب على شكل مروحة بعد تشكيل ثقب التقييد. من المهم للغاية تجنب تقشير طلاء الحاجز الحراري عند حفر ثقب على شكل مروحة ، ومعظم الأجهزة لديها الآن طلاء حاجز حراري.
تطبيقات الحفر بالليزر - ألياف الليزر
مقارنةً بالليزر النبضي Nd: YAG ، فإن مزايا الليزر الليفي واضحة. أولاً ، مصدر مضخة الليزر الليفي هو الصمام الثنائي بدلاً من الفلاش ، لذلك يمكن أن يشكل موجة مربعة مثالية. ثانيًا ، يتباطأ ليزر Nd: YAG باستخدام مضخة الفلاش ، لذا يكون جزء من طاقة الليزر دائمًا أقل من عتبة التبخر في المنطقة المستهدفة. هذا الجزء من الطاقة سوف يذوب المواد ويؤدي إلى تآكل طلاء الحاجز الحراري. لتلبية مواصفات طبقة إعادة الصياغة ، يجب أن تكون فترة النبض أقل من 1 مللي ثانية. في هذا الصدد ، تتمتع ليزر الألياف بالميزة المطلقة ، لأنها يمكن أن تولِّد أشكال موجية مربعة ، وبالتالي فإن استخدام نبضات 10 مللي ثانية يمكن أن يلبي متطلبات معدات الطيران لإعادة صياغة المواصفات وتكسيرها.
نحن نستخدم غرفة الاحتراق كمثال. عند استخدام الحفر النبضي ، ستدور غرفة الاحتراق عدة مرات في وقت واحد أثناء عملية الحفر. في هذه الحالة ، هناك حاجة إلى 5 نبضات للحفر ، ويستخدم 2 نبضات أخرى لتشكيل ثقب على شكل مروحة. عادةً ما يكون الحد الأقصى لتكرار تكرار هذا الليزر هو 10 نبضات في الثانية. يمكن للألياف الليزرية أن تشكل فتحة مروحة بنبض طويل. إذا تم استخدام نفس فترة النبضة والطاقة النبضية مثل الليزر Nd: YAG ، فقد تصل السرعة إلى 10 أضعاف القيمة الأصلية. سواءً كانت النبضات الفردية أو النبضات الطويلة أو النبضات المتعددة ، يمكن الحصول على نفس جودة الحفر. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للليزر الليفي أيضًا ضبط فترة النبض أثناء الحفر وبعده ، بدلاً من استخدام نبضات متعددة طوال الوقت ، وهو أمر مفيد لتجنب إلحاق الضرر بالجسم.
تكمن خاصية الليزر الليفي الممزوج في إمكانية إنتاجه في الوضع المسطح العلوي ، في حين أن ليزر Nd: YAG هو وضع غاوسي تقريبًا. لذلك ، بفضل وضع السطح العلوي ، تتجاوز طاقة الطاقة الكاملة الأولى عتبة التبخر ، بينما يكون جزء كبير من الأخير أقل من العتبة. وقد أظهرت الدراسات أنه لتحقيق نفس تأثير الحفر في ظل نفس الظروف ، فإن الليزر الليفي يحتاج إلى طاقة أقل. والسبب هو موجة مربعة + وضع أعلى مسطح. وبسبب هذه الخاصية بالتحديد ، فإن الليزر الليفي أكثر كفاءة في الحفر وأقل تعرضًا للتلف الحراري. مع تقليل الأضرار الحرارية ، سيتم تحسين تقشير الطلاء وإعادة الصقل.
أحد الأسباب وراء اجتذاب ليزر Nd: YAG كثيرًا من الاهتمام هو خصائص تباعد الحزمة الفريدة. يمكن تغيير حجم البقعة بزيادة أو نقصان الطاقة. طالما يتم إعادة تركيز التركيز ، يمكن تحقيق الفتحة المطلوبة. بعض أشعة الليزر Nd: YAG تدمج تلسكوب بؤرة داخلية لتغيير زاوية الاختلاف للحزمة ، لكن هذا التعديل يتطلب درجة عالية من الاحترافية للمشغل ، وتستهلك الكثير من الوقت ، والمعلمات الصحيحة ، لذلك كثير من الناس غير متفائلين هذه الطريقة. عند هذه النقطة ، فإن ألياف الليزر هي عكس ذلك تمامًا. نظرًا لأن شكل البؤرة دائري تمامًا ، فلن يتغير عند زيادة الطاقة أو إنقاصها ، وإذا تم وضع تلسكوب قابل للضبط في النظام ، فسيكون بإمكانها تغيير حجم البقعة البؤرية مباشرة أثناء حفر الرحلة. النطاق هو عادة 3-1.
مرونة الليزر الليفي أعلى بكثير من الليزر Nd: YAG. ويرجع ذلك أساسًا إلى أن الثنائيات ذات الاستجابة العالية السابقة يمكن أن تغير فترة النبضة ومستوى الطاقة أثناء حفر الرحلة ، مما يتيح للمشغلين استخدام مستويات مختلفة من الطاقة وفترات النبض لإنشاء تسلسل النبض المرغوب. على سبيل المثال ، ابدأ بقوة منخفضة ونبض قصير ، ثم قم بزيادة الطاقة والنبض في تسلسل بناءً على متطلبات حفر محددة. نظرًا لأن أشعة الليزر الليفية يمكنها توفير طاقة ذروة عالية في نطاق كيلوواط مع ضبط حجم البقعة وفترة النبضة (حتى 10 μs) ، فإن جهازًا واحدًا فقط يكفي.
عند استخدام تقنية الأكمام ، يمكن أن تصل سرعة معالجة ألياف الليزر إلى 10 أضعاف سرعة ليزر Nd: YAG الذي يتم ضخه بالمصباح. ليس ذلك فحسب ، بل يمكن أيضًا تحويل ليزر الألياف إلى خرج مستمر يصل إلى 2 كيلو وات عند الحفر أثناء الطيران لتحقيق قطع عالية السرعة. بالنسبة لبعض تصميمات الاحتراق ، يمكن زيادة تحسين هذا الرقم. باختصار ، تعد ليزر الألياف النبضية مثالية لقطع الألواح السميكة وتطبيقات الحفر عالية السرعة.
